锅炉温度控制系统的设计

刘洁

摘 要：随着科技的进步，作为继电器替代品的PLC得到了迅速的发展。如今的PLC并不仅仅只有逻辑控制的功能，它以微处理器为基础，综合了计算机、通信、自动控制等多种技术，并且广泛应用于各种领域，已经成为现代工业控制三大支柱（PLC、工业机器人、CAD＼CAM）之一。本文以西门子公司S7-200系列PLC为控制器，以锅炉为被控对象，锅炉出口水温为主被控参数，炉膛内水温为副被控参数，加热炉电阻丝电压为控制参数，构成锅炉温度串级控制系统;采用PID算法，运用PLC梯形图编程语言进行编程，实现锅炉温度的自动控制。

关键字：可编程控制器; 串级控制系统;组态软件

如今，电热锅炉的应用范围相当广泛，它的质量好坏由其性能决定。目前电热锅炉多数以微处理器为核心，不仅可以提高设备的自动化程度，又能提高设备的控制精度。

PID控制因为其可靠性高、算法简单、鲁棒性好的特点，被广泛应用于过程控制中。它的效果完全取决于其四个参数，即采样周期、比例系数 、积分系数和微分系数。因此，PID参数的整定一直是自动控制领域的重中之重。在PID算法当中，关键问题是对于P、I、D三个参数的优化和整定。

1 PLC控制系统的硬件设计

1.1PLC控制系统设计的一般步骤

（1）熟悉被控对象，制定控制方案分析被控对象的工艺过程及工作特点，了解被控对象机、电、液之间的配合，确定被控对象对 PLC控制系统的控制要求。

（2）确定I/O设备 根据系统的控制要求，确定用户所需的输入（如按钮、行程开关、选择开关等）和输出设备（如接触器、电磁阀、信号指示灯等）由此确定PLC的I/O点数。

（3）选择PLC 选择时主要包括PLC机型、容量、I/O模块、电源的选择。

（4）分配PLC的I/O地址 根据生产设备现场需要，确定控制按钮，选择开关、接触器、电磁阀、信号指示灯等各种输入输出设备的型号、规格、数量;根据所选的PLC的型号列出输入/输出设备与PLC输入输出端子的对照表，以便绘制PLC外部I/O接线图和编制程序。

（5）设计软件及硬件进行PLC程序设计，进行控制柜（台）等硬件的设计及现场施工。由于程序与硬件设计可同时进行，因此，PLC控制系统的设计周期可大大缩短，而对于继电器系统必须先设计出全部的电气控制线路后才能进行施工设计。

（6）联机调试：联机调试是指将模拟调试通过的程序进行在线统调。

1.2PLC程序设计的一般步骤

（1）绘制系统的功能图。

（2）设计梯形图程序。

（3）根据梯形图编写指令表程序。

（4）对程序进行模拟调试及修改，直到满足控制要求为止。调试过程中，可采用分段调试的方法，并利用编程器的监控功能。

1.3系统整体设计方案和电气连接图

本系统选用了S7-200PLC CPU 226为控制器，PT100铂电阻将检测到的锅炉水温转化为电流信号，然后通过EM235模拟量输入模块转化成数字量信号，最后送到PLC中进行PID调节，PID控制器输出电流信号（0～10mA）输入可控硅电压调整器或者通过触发板改变可控硅管的导通角来调节输出功率，从而调节电热丝的加热。PLC与组态王连接，从而实现了系统的实时监控。整体设计方案如图1：

1.4控制系统数学模型的建立

本控制系统中，TT1（出口温度传感器）将检测到的出口水温度信号转化为电流信号传入EM235模块的A路，TT2（炉膛温度传感器）将检测到的出口水温度信号转化为电流信号传入EM235模块的B路。两路模拟信号通过EM235转化为数字信号送入PLC，然后PLC再通过PID模块进行PID调节控制。

PLC的串级控制系统方框如图2所示：

1.5 PID控制及参数整定

1.5.1PID控制器组成

PID控制器：由比例单元P、积分单元I、和微分单元D组成。主要适用于线性和动态特性不随时间改变的系统。其数学表达式为：

（1） 比例系数Kc对系统性能的影响：

增大比例系数Kc，一般将加快系统的响应，有静差的情况下有利于减小静差。控制作用的强弱取决于比例系数K。但过大的比例系数会使系统有较大的超调，并产生震荡，使稳定性变坏。

（2） 积分控制Ti对系统性能的影响：

增大积分时间Ti，有利于减小超调，减小震荡，使系统更加稳定，但系统静差的消除将随之减慢。

（3） 微分控制Td对系统性能的影响：

增大微分时间Td，亦有利于加快系统响应，使超调减小，克服震荡，稳定性增加，但系统对扰动的控制能力减弱，对扰动有较敏感的响应。

1.5.2 PLC控制系统的软件设计

本文中我们利用 STEP7--Micro/WIN V4.0 SP6编程软件。

PLC运行时，通过SM0.0产生初始化脉冲进行初始化，将温度设定值，PID参数值等存入数据寄存器，随后系统开始温度采样，周期是17秒，TT1（出口水温温度传感器）将采集到的出口水温度信号转换为电流信号，电流信号通过AIW0进入PLC，作为主回路的反馈值，经过主控制器（PID0）PI运算产生输出信号，为副回路的给定值。TT2（炉膛水温传感器）将采集到的炉膛水温度信号转换为电流信号，电流信号在通过AIW2进入PLC，作为副回路的反馈值，经过副控制器（PID1）的P运算产生输出的信号，由AQW0输出，输出的4-20mA电流信号控制可控硅的导通角，控制电热丝的电压，完成对温度的控制。

3组态画面的设计于系统测试

3.1.新建设备

因为组态画面要與西门子S7-200 PLC连接之后才能使用，所以要新建S7-200的连接;

3.2新建变量

要实现组态王对S7-200的在线监控，就先必须建立两者之间的联系，那就需要建立两者间的数据变量。基本类型的变量可以分为“内存变量”和I/O变量两类。内存变量是组态王内部的变量，不跟被监控的设备进行交换。而I/O变量是两者之间互相交换数据的桥梁，S7-200和组态王的数据交换是双向的。

3.3新建主画面

3.4新建PID参数设定窗口

3.5新建实时曲线

3.6系统测试

组态王和PLC编程软件不能同时启动，因为他们使用的是同一个端口，要想在线利用组态王监控程序，那就先必须在关闭组态王的情况下，先把PLC程序下载到PLC中，并且运行程序，再把编程软件关闭，才可以启动组态王，这样就可以利用组态王在线监控了。

4 结语

本文运用西门子S7-200PLC和組态王设计了一个人机监控的温度控制系统。系统采用串级PID控制，利用粗调和细调，得到了一个反应比较迅速，控制精度比较高的温度控制系统。

组态王操作方便，有利于我们比较直观的观看控制曲线和温度的变化。其中的报表、历史曲线和报警显示都是在当今工业控制中常用的。

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